醋酸洗必泰/氧化石墨烯復(fù)合物的抗菌性能研究

摘 要：【目的】研究醋酸洗必泰/氧化石墨烯復(fù)合物的抗菌性能。【方法】采用Brodie法所制備得到氧化石墨烯，使用插層改性的方法合成醋酸洗必泰/氧化石墨烯復(fù)合物。運(yùn)用XRD和FTIR表征復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，同時(shí)借助體外抗菌試驗(yàn)評(píng)價(jià)復(fù)合物的抗菌性能?！窘Y(jié)果】與氧化石墨烯對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率相比，復(fù)合物對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率分別提高了約11.5倍和7.7倍。【結(jié)論】醋酸洗必泰的引入可大幅度提高氧化石墨烯的抗菌活性。

關(guān)鍵詞：氧化石墨烯;醋酸洗必泰;復(fù)合物;抗菌性能

中圖分類號(hào)：TB33" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2024）14-0076-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.14.015

Antibacterial Property of Chlorhexidine Acetate/Graphene Oxide

Composite

Abstract： [Purposes] This paper aimed to investigate the antibacterial property of chlorhexidine acetate/graphene oxide composite. [Methods] Graphene oxide was prepared using Brodie method. Subsequently， chlorhexidine acetate/graphene oxide composite was synthesized by intercalation modification method. The structure of the composite was characterized using XRD and FTIR， and the antibacterial property of the composite was evaluated through in vitro antibacterial experiment. [Findings] Compared with the antibacterial rate of graphene oxide against escherichia coli and Staphylococcus aureus， the antibacterial rate of the composite against escherichia coli and Staphylococcus aureus increased by ca. 11.5 and 7.7 times， respectively. [Conclusions] The introduction of chlorhexidine acetate could significantly improve the antibacterial activity of graphene oxide.

Keywords： graphene oxide; chlorhexidine acetate; composite; antibacterial property

0 引言

抗菌材料指的是一種擁有抑制甚至殺滅微生物功能的材料，通常包括天然類、有機(jī)類和無機(jī)類等［1］。其中，天然類抗菌材料具備安全且無毒等優(yōu)點(diǎn)，是人類使用較早的抗菌材料，如殼聚糖、山梨酸、芥末、蓖麻油、山葵等。然而，天然類抗菌材料存在難加工、耐熱性較差、易受環(huán)境條件影響等問題，迄今未得到廣泛應(yīng)用。有機(jī)類抗菌材料是具有優(yōu)良?xì)⒕?yīng)的抗菌材料，如有機(jī)金屬類、有機(jī)鹵代物等，但其耐高溫性差、易遷移，使用上存在一定的限定性。無機(jī)類抗菌材料是20世紀(jì)80年代發(fā)展的一類抗菌材料，如金屬抗菌劑、光催化抗菌劑和納米抗菌劑等，具有表現(xiàn)出良好耐熱性、持久性和安全性等優(yōu)點(diǎn)。在無機(jī)類抗菌劑中，研究得最多且開發(fā)得較快的是銀系無機(jī)抗菌劑，這是由于其殺菌能力強(qiáng)，殺菌強(qiáng)度約為鋅的1 000倍。此外，銀系無機(jī)抗菌劑具有耐熱性好、抗菌譜廣、有效抗菌期長、毒性較低、不會(huì)產(chǎn)生耐藥性等優(yōu)點(diǎn)，但也存在易變色、成本高、制備相對(duì)困難等缺點(diǎn)。

在眾多的無機(jī)類抗菌候選材料中，石墨烯及其衍生物具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能［2］。氧化石墨烯作為石墨烯衍生物之一，一方面，其表面含有大量含氧官能團(tuán)，提高了它的分散性，并為其表面功能化提供了結(jié)合位點(diǎn)。另一方面，氧化石墨烯具有與細(xì)胞較為相近的尺寸、低毒性、良好生物相容性等特點(diǎn)。因此，氧化石墨烯作為一種新型的、性能優(yōu)異的無機(jī)類抗菌材料，在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用［3］。Hu等［4］首次研究并證明了氧化石墨烯具有一定的抗菌活性，這可能與氧化石墨烯的表面電荷和含氧官能團(tuán)有關(guān)。Liu等［5］對(duì)比研究了石墨、氧化石墨、氧化石墨烯和還原氧化石墨烯水相分散液的抗菌性。結(jié)果表明，氧化石墨烯表現(xiàn)出較好的抗菌能力，這種抗菌能力與培養(yǎng)時(shí)間和材料濃度有著緊密的聯(lián)系?？偟膩碚f，氧化石墨烯的抗菌性與其理化性能密切相關(guān)。Mangadlao等［6］發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯層數(shù)的增加可提高其抗菌性，這可以歸結(jié)于其表面性能發(fā)生改變。盡管如此，單一組分的氧化石墨烯沒有足夠和持續(xù)的抗菌效果，還需要對(duì)其進(jìn)一步研究。

醋酸洗必泰（Chlorhexidine acetate，CA），又被稱為醋酸氯己定，是陽離子表面活性劑，具有抗菌譜廣、抗菌作用較強(qiáng)的特點(diǎn)。CA的作用機(jī)制是其對(duì)細(xì)菌有明顯的親和力，能結(jié)合到細(xì)菌的細(xì)胞膜表面，改變膜的滲透性，造成細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)流出，從而殺滅細(xì)菌［7］。以無機(jī)載體負(fù)載CA可有效增強(qiáng)無機(jī)載體基材的抗菌能力。孟娜等［7］通過將CA負(fù)載到蒙脫土載體，獲得了醋酸洗必泰改性蒙脫土抗菌復(fù)合物。結(jié)果表明，CA的引入可有效提高蒙脫土的抗菌活性。同時(shí)，作為載體的蒙脫土能使CA的抗菌時(shí)效加長，并提高CA的熱穩(wěn)定性。本研究采用Brodie法所制備得到氧化石墨烯，隨后，使用插層改性的方法合成CA/氧化石墨烯復(fù)合物。運(yùn)用XRD和FTIR表征復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，并借助體外抗菌試驗(yàn)評(píng)價(jià)復(fù)合物的抗菌性能。

1 試驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

試劑：CA，分析純，臺(tái)山市粵僑試劑塑料有限公司；天然石墨粉、氯酸鉀、發(fā)煙硝酸、無水乙醇、氯化鈉，全部為分析純，全部來自廣州化學(xué)試劑廠；大腸桿菌（ATCC 8099）、金黃色葡萄球菌（ATCC 6538），全部來自廣東省微生物研究所。

儀器：DF-101Z型的加熱恒溫磁力攪拌器，上海凌科實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司；JIDI-20D型的臺(tái)式高速離心機(jī)，廣州吉迪儀器有限公司；LanJ-6P5型的臺(tái)式高功率超聲波清洗儀，廣東藍(lán)鯨超聲波清洗技術(shù)有限公司；L6-86型的冷凍干燥儀，長沙開譜儀器有限公司；DHG-9050A型的恒溫干燥箱，上海合恒儀器設(shè)備有限公司；HT-120B型的恒溫培養(yǎng)箱，上海赫田科學(xué)儀器有限公司；ARL EQUINOX 1000型的臺(tái)式XRD粉末衍射儀，賽默飛世爾科技公司；ALPHA Ⅱ型的傅里葉變換紅外光譜儀，鈦洛科學(xué)器材（上海）有限公司。

1.2 氧化石墨烯的制備

氧化石墨烯（GO）采用Brodie法制備得到［8］。先往反應(yīng)釜中加入一定量的發(fā)煙硝酸，在磁力攪拌作用下加入天然石墨粉。待充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，低溫下（lt; 5 ℃）逐漸加入一定量的氯酸鉀（lt; 0.5 g/min）。結(jié)束后，將體系溫度升至30 ℃，恒溫反應(yīng)48 h。待反應(yīng)完畢后，將體系冷卻至室溫，離心得到固體，將固體洗滌至中性，干燥，得到GO。

1.3 CA/GO復(fù)合物的制備

使用插層改性的方法合成CA/GO復(fù)合物。先稱取1 g GO于一定量的蒸餾水中，超聲分散2 h。完畢后，再加入一定量的氯化鈉，繼續(xù)超聲處理30 min，對(duì)GO進(jìn)行鈉離子修飾。結(jié)束后，離心、洗滌、干燥，得到鈉離子修飾GO。

將上述的鈉離子修飾GO重新分散在一定量的無水乙醇中，超聲處理1 h。完畢后，再加入一定量的CA，在70 ℃下恒溫?cái)嚢璺磻?yīng)8 h。結(jié)束后，離心，洗滌，干燥，得到CA/GO復(fù)合物。

1.4 表征及測試

1.4.1 XRD粉末衍射法。采用臺(tái)式XRD粉末衍射儀測試樣品（Cu Kα射線波長為0.154 051 nm）。其中，電壓為40 kV，電流為20 mA，掃描速度為2°/min。

1.4.2 傅里葉變換紅外光譜法（FTIR）。采用FTIR測試樣品。把適量的樣品和溴化鉀粉末充分研磨均勻后，壓片。

1.4.3 體外抗菌試驗(yàn)。將一定量的待測物分散在100 mL 0.9 wt%無菌鹽水（含有約107 CFU/mL大腸桿菌或金黃色葡萄球菌）中，然后在（37±1） ℃下振蕩上述溶液。接觸24 h后，取出1.0 mL懸浮液，并通過稀釋法將其稀釋至一定體積，以確保生長的菌落能夠容易且正確地被計(jì)數(shù)。將稀釋后的溶液置于LB瓊脂平板上，并在（37±1） ℃下孵育24 h。最后，計(jì)數(shù)每個(gè)平板上的菌落數(shù)。抗菌率（η）計(jì)算公式見式（1）。

η=（Y－X） /Y×100% （1）

式中：Y是對(duì)照組（0.9 wt%無菌鹽水）上的微生物菌落數(shù)；X是待測物上的微生物菌落數(shù)。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果以（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）來表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

樣品的XRD圖譜如圖1所示。由圖1可知，天然石墨粉在2θ=26.8°處出現(xiàn)了尖而強(qiáng)的特征衍射峰，它對(duì)應(yīng)了層間距為0.332 nm的（002）晶面。在GO的XRD圖譜中，已觀察不到天然石墨粉的衍射峰，同時(shí)在2θ=13.6°處出現(xiàn)了新衍射峰，它對(duì)應(yīng)了層間距為0.601 nm的（002）晶面，這表明已成功氧化天然石墨粉［9］。對(duì)于CA/GO復(fù)合物，屬于GO的衍射峰位置從2θ=13.6°向左移動(dòng)至2θ=10.9°。根據(jù)布拉格方程，可計(jì)算得出GO的層間距從0.601 nm增加至0.742 nm，這可歸結(jié)于插入的CA分子使得GO的層間距變大［10］。與GO相比，CA/GO復(fù)合物的結(jié)晶度有所降低，這表明CA的插層對(duì)GO的結(jié)晶度有一定影響。XRD分析結(jié)果證明了CA已成功插入GO層間，從而獲得CA/GO復(fù)合物。

2.2 FTIR分析

樣品的FTIR圖譜如圖2所示。由圖2可知，GO樣品在3 500 cm-1處出現(xiàn)一個(gè)寬而強(qiáng)的吸收峰，它屬于O-H的伸縮振動(dòng)，這可能是來源于吸收在GO里的水分子所致。在1 614、1 375和1 024 cm-1處的特征峰分別對(duì)應(yīng)C=C、C-OH和C-O-C振動(dòng)頻率，這些含氧基團(tuán)的出現(xiàn)表明天然石墨粉已被成功氧化為GO［9］。對(duì)于CA，在1 531和1 475 cm-1處出現(xiàn)了屬于苯環(huán)的特征吸收峰，這可歸結(jié)于CA分子中的苯環(huán)結(jié)構(gòu)。對(duì)于CA/GO，可同時(shí)觀察到分別屬于GO和CA的官能團(tuán)特征峰，這表明CA和GO已經(jīng)相結(jié)合，從而成功制備CA/GO復(fù)合物，這些與XRD分析結(jié)果相符合。

2.3 體外抗菌性能分析

采用平板計(jì)數(shù)法來量化樣品對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌性能。菌落定量數(shù)據(jù)見表1、表2，分別展示了不同樣品與大腸桿菌和金黃色葡萄球菌接觸24 h后的抗菌活性。

根據(jù)抗菌率的計(jì)算公式，可以得到GO和CA/GO復(fù)合物對(duì)大腸桿菌的抗菌率分別為（6.8 ± 1.3）%和（85.2 ± 2）%。與GO相比，CA/GO復(fù)合物對(duì)大腸桿菌的抗菌率提高了約11.5倍。這表明GO具備較弱的抗菌活性，其殺菌機(jī)理可歸結(jié)于GO的物理和化學(xué)作用，導(dǎo)致細(xì)菌死亡［6］。CA具有較強(qiáng)的廣譜抗菌性，可表現(xiàn)出良好的抗菌活性。CA的抗菌機(jī)理可歸結(jié)于其可結(jié)合到細(xì)菌細(xì)胞膜表面，改變膜的滲透性，造成細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)流出，從而達(dá)到抗菌目的［7］。當(dāng)引入CA后，CA/GO復(fù)合物表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的抗菌效果。

根據(jù)抗菌率的計(jì)算公式，可以得到GO和CA/GO復(fù)合物對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌率分別為（11.2 ± 2.1）%和（97.6 ± 1.2）%。與GO相比，CA/GO復(fù)合物對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌率提高了約7.7倍?；谏鲜鱿嗤目咕鷻C(jī)理，GO和CA/GO復(fù)合物對(duì)金黃色葡萄球菌的行為響應(yīng)也表現(xiàn)出了和大腸桿菌類似的規(guī)律。此外，與金黃色葡萄球菌相比，大腸桿菌有一層肽聚糖層的外膜，它能夠保護(hù)細(xì)菌細(xì)胞免受外來物質(zhì)的攻擊［11］。因此，GO和CA/GO復(fù)合物對(duì)大腸桿菌的抗菌活性均較低。

總的來說，體外抗菌試驗(yàn)的結(jié)果表明，CA/GO復(fù)合物不僅對(duì)革蘭氏陰性菌有優(yōu)良的抗菌效果，而且對(duì)革蘭氏陽性菌也有明顯的抗菌作用，這證明了CA/GO復(fù)合物具有一定的廣譜抗菌性。

3 結(jié)論

通過研究醋酸洗必泰/氧化石墨烯復(fù)合物的抗菌性能，結(jié)果表明：CA分子成功插入至GO層間，其引入可大幅度提高GO的抗菌活性，CA/GO復(fù)合物表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的抗菌效果。

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